Wesen der Quantenphysik. Aus dem Unterricht der Sek II: Zum Wesen der Quantenphysik

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1 Aus dem Unterricht der Sek II: Zum Wesen der Quantenphysik 1

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3 1. Modell und Theorie zwei Methoden der Beschreibung physikalischer Vorgänge 1.1 Die Beschreibung eines Vorgangs mit einem Modell Man kann einen physikalischen Vorgang, für den man keine direkte Anschauung hat, durch ein Modell beschreiben. Das Modell ist ein System, das uns vertraut ist. 3

4 Modelle sind nicht falsch oder richtig, sondern nur mehr oder weniger zweckmäßig. 4

5 1.2 Die Beschreibung eines Vorgangs mit einer Theorie Eine Theorie beschreibt einen physikalischen Vorgang mathematisch, d.h. mit Hilfe von Gleichungen. 5

6 1.3 Die Grenzen von Modellen Für manche physikalischen Vorgänge lässt sich kein passendes Modell finden, wohl aber eine funktionierende Theorie. Solche Vorgänge erscheinen uns als unanschaulich. 6

7 1.4 Erlaubte und nichterlaubte Fragen Eine Frage kann sinnlos sein, auch wenn sie naheliegend ist. 7

8 2. Transporte mit Wellen und Transporte mit Materie Materie ist quantisiert, Licht zeigt Interferenz. Auch Licht ist quantisiert, und auch Materie zeigt Interferenz. 8

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10 5. Die Quantentheorie 5.1 Daten gehen hinein und Daten kommen heraus R I U = R. I U Theorie: System von Gleichungen und Sätzen. Man steckt bekannte Daten hinein und bekommt gewünschte Daten heraus. 10

11 5.2 Die Quantentheorie m e Feld des Protons Schrödingergleichung alle messbaren Größen: Energie, Impuls, Drehimpuls,... Die Quantentheorie lösst ein Problem in zwei Schritten: 1. Berechnung der Psi-Funktion aus den eingegebenen Daten; 2. Berechnung der gewünschten Daten aus der Psi-Funktion. 11

12 5.3 Die Psi-Funktion E (x, y, z,t) 0 2 E(x, y, z,t) 2 (x, y,z,t) 2 (x, y,z,t) m m m 2 Elektronium e e e 2 Das Quadrat der Psi-Funktion ist ein Maß für die Massendichte und die Ladungsdichte des Elektroniums. 12

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14 6. Das Atom stationäre Zustände 6.5 Die Stromdichte des Elektroniums Massenstromdichte Massenstromstärke durchströmte Fläche elektrische Stromdichte elektrische Stromstärke durchströmte Fläche 14

15 6.6 Drehimpuls und Magnetismus von Atomen In manchen Zuständen bildet das Elektronium eine Strömung mit kreisförmigen Stromlinien. In manchen Zuständen hat das Elektronium des Atoms Drehimpuls. Der Wert dieses Bahndrehimpulses ist ein ganzzahliges Vielfaches von h/2π. Der Drehimpuls ist quantisiert. In Zuständen, in denen das Elektronium strömt, ist das Atom magnetisch. 15

16 7. Übergänge im Atom nichtstationäre Zustände 7.1 Übergänge zwischen stationären Zuständen i k E i E k E = E i E k f E i E k h 16

17 7.2 Der Emissionsvorgang Während des Übergangs eines Atoms aus einem Zustand höherer in einen Zustand niedrigerer Energie, führt die elektrische Ladung des Elektroniums Schwingungen aus. Das Atom wirkt als Antenne. Die Schwingungsfrequenz ist gleich der Frequenz des emittierten Lichts. 17

18 7.3 Schnelle und langsame Übergänge Bei verschiedenen Übergängen strahlt das Atom unterschiedlich stark. 18

19 7.4 Emission und Statistik Sind von einem Ausgangszustand mehrere Endzustände erreichbar, so finden die verschiedenen Übergänge mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten statt. 19

20 8. Atome mit mehreren Elektronen 8.1 Elektronenorbitale in größeren Atomen Ein Orbital kann nur von zwei Elektronen besetzt werden. 20

21 8.2 Der Spin Die Elektronen eines Atom befinden sich in verschiedenen Zuständen. Zwei Elektronen, die dasselbe Orbital besetzen, unterscheiden sich im Spin. 8.3 Noch einmal die Psi-Funktion 21